高應力軟巖條件下巷道支護失穩(wěn)機理及穩(wěn)定性控制

策略分析

吳振芳

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司（山西.沁水）048200

摘要：本文將玉溪煤礦中央輔運大巷出現(xiàn)的嚴重變形破壞問題作為研究對象，通過現(xiàn)場勘查及分析的方式，對巷道變形破壞特征及具體機理進行了深入分析，得到了巷道總體的埋深較大、巷道松動圈范圍較大、巷道圍巖性質(zhì)影響、巷道原支護方式的影響、地下水影響明顯等因素是導致巷道出現(xiàn)較大變形破壞的原因。結(jié)合深部巷道圍巖支護特點，設計采用了“錨網(wǎng)索+U型鋼閉合環(huán)+底板注漿”聯(lián)合支護方案，從現(xiàn)場勘查情況來看，新返修支護方案實現(xiàn)了對巷道圍巖變形的有效控制，對類似巷道的支護有一定借鑒意義。

關鍵詞：高應力軟巖；巷道支護；失穩(wěn)機理；穩(wěn)定性控制

1、工程概況

玉溪煤礦1盤區(qū)中央輔運大巷承擔本礦井的運輸任務，設計長度為1560m，設計服務年限為40.1a，埋深在433.9-883.3m之間，平均埋深659m，所在層位主要為粉砂巖，巷道圍巖裂隙發(fā)育較為明顯，含有鈣質(zhì)結(jié)核、黃鐵礦，同時有厚度為0.25m左右的泥巖夾矸，容易破碎。巷道原支護設計采用的是錨梁網(wǎng)索支護，具體見圖1所示。巷道在支護之后，圍巖出現(xiàn)了嚴重的明顯破壞，先后進行了三次拓幫挑底作業(yè)，但是仍舊不能滿足巷道正常使用需求，給礦井生產(chǎn)的連續(xù)性、安全性帶來了較大的影響。

圖1 中央輔運大巷原支護設計圖

Fig. 1 Design drawing of original support for North track roadway

2、中央輔運大巷變形破壞特征及機理分析

為準確掌握中央輔運大巷變形破壞特征，采取針對性的圍巖控制措施，對中央輔運大巷變形破壞特征及機理進行了現(xiàn)場勘查。

2.1變形破壞特征

根據(jù)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，中央輔運大巷出現(xiàn)了全斷面變形破壞。巷道底板鼓起量在1.4m—1.7m之間，巷道頂板下沉量在1.1m—1.3m之間，頂?shù)装迤骄鄬σ平吭?.5m—2.9m之間。巷道兩幫相對移近量接近2.2m。同時，在現(xiàn)場勘查時發(fā)現(xiàn)，巷道下部有明顯的涌水情況，兩幫圍巖出現(xiàn)了顯著的遇水軟化特征，且巷道原支護體上形成了較多網(wǎng)兜。巷道的兩幫和頂板處出現(xiàn)了較多的錨桿整體外移的情況，這表明巷道錨桿支護已經(jīng)失效，支護體已經(jīng)被拉斷。巷道在變形前后的斷面圖見圖2所示。

圖2 變形前后巷道斷面對比圖

Fig.2 Contrast Diagram of Roadway Section before and after Deformation

2.2變形破壞機理

通過研究表明，導致中央輔運大巷出現(xiàn)明顯變形破壞的原因較多，主要有如下幾個方面：

（1）巷道總體的埋深較大。

根據(jù)中央輔運大巷所處位置的地質(zhì)資料表明，巷道埋深平均達到了659m，整體的垂直應力非常大，且通過現(xiàn)場對巷道所處位置地應力進行測試表明，垂直主應力為29.6MPa，最大水平主應力為31.8MPa，最小水平主應力為17.8MPa，測壓系數(shù)達到1.7，巷道整體所受的地應力非常大。在如此大的地應力作用下，巷道圍巖雖然為強度較高的粉砂巖，但是在高應力作用下，已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的高應力軟巖的特征，這也是導致雖然對巷道進行了三次返修，但是仍舊出現(xiàn)了明顯的變形破壞。

（2）巷道松動圈范圍較大。

為了掌握巷道圍巖的變形范圍，在本次勘查時，選擇使用圍巖松動圈測試儀對中央輔運大巷3個斷面9個測點的巷道圍巖的松動圈的范圍進行了測試，對巷道內(nèi)部圍巖變形破壞情況進行了研究。松動圈具體的勘查見表1所示。

表1 中央輔運大巷巷道松動圈測試結(jié)果

Tab. 1 Test results of loose zone in large roadway of North track

通過表1可知，中央輔運大巷巷道整體松動圈的范圍較大，多數(shù)地點均接近或超過了1.8m，屬于大松動圈范圍，而在原支護中，巷道頂幫錨桿支護的范圍最大為2.4m，再加上施工中存在錨桿錨索支護不到位的情況，導致很多錨桿應有的支護效用不能發(fā)揮出來，這也是在現(xiàn)場勘查中得到很多錨桿被拉伸出來的原因，這說明原設計中錨桿支護已經(jīng)失效。

（3）巷道圍巖性質(zhì)影響

中央輔運大巷巷道圍巖所處的層位的圍巖是粉砂巖，從地質(zhì)資料和現(xiàn)場勘查情況來看，圍巖裂隙發(fā)育明顯，同時，其中含有厚度為0.25m的夾層，夾層的圍巖性質(zhì)為泥巖，總體的強度較低，且含有膨脹性軟巖成分，在這種情況下，巷道圍巖整體的承載性能較差，在高地應力的作用下，非常容易出現(xiàn)變形破壞。

（4）巷道原支護方式的影響

從中央輔運大巷原有支護設計來看，巷道設計采用的是普通錨梁網(wǎng)索支護，雖然這種支護方式在淺層的巷道圍巖支護中能夠取得較好的支護效果，但是在深部圍巖支護中，已經(jīng)表現(xiàn)出較強的不適應性，主要是這種支護沒有給深部高應力軟巖留有充足的釋放能量的空間，屬于“剛性支護”，這種剛性支護方式在高地應力作用下，非常容易出現(xiàn)支護失效的情況。再加上巷道原支護中沒有對巷道底板進行支護，導致底板成為了深部高應力釋放的主要空間，這也是本次巷道底板出現(xiàn)變形破壞較大的原因。

（5）地下水影響明顯

從現(xiàn)場勘查情況來看，巷道下部有明顯的水體侵蝕的影響，特別是底板圍巖在長期與水接觸的情況下，自身的承載能力與強度會明顯降低，特別是圍巖中的膨脹性軟巖成分，在水體的作用下，會出現(xiàn)崩解，加劇了巷道圍巖變形。

3、中央輔運大巷返修支護設計分析

結(jié)合中央輔運大巷出現(xiàn)的變形破壞特征及具體機理，本次返修設計采用“錨網(wǎng)索+U型鋼閉合環(huán)+底板注漿”聯(lián)合支護方案。

3.1返修方案支護機理

首先，U型鋼閉合環(huán)設計采4節(jié)U型鋼組合形成一個完整的U型鋼支護閉合體，這4節(jié)U型鋼的接口位置，設置使用卡纜，目的是實現(xiàn)支架可縮量的自動調(diào)節(jié)，這對于支架在支護時，更好適應巷道圍巖變形，在巷道圍巖變形過程中，仍舊給予巷道高支護力是非常關鍵的。特別是對于中央輔運大巷巷道整體圍巖變形量較大，選擇使用U型鋼支護閉合支護體，可以為巷道支護提供較高的支護承載能力，隨著支架變形量的增加，其支護阻力也隨著增加，實現(xiàn)“高阻讓壓”支護，這對于深部巷道支護是非常關鍵的，有效避免了傳統(tǒng)剛性支護的弊端。

其次，錨網(wǎng)索支護主要仍舊是在巷道的頂?shù)装寮皟蓭蛯嵤└邚姸儒^桿、錨索支護，同時，對錨索、錨桿施加高強度預緊力，最大限度的提升對巷道表層圍巖的預緊壓縮效果，實現(xiàn)對巷道淺層圍巖的變形限制。同時，本次設計在巷道兩幫打設長度為4200mm，直徑為17.8的預應力錨索，更好發(fā)揮錨索對巷道兩幫圍巖的支護作用，調(diào)動巷道兩幫深部穩(wěn)定圍巖對淺部圍巖變形的限制作用。從而在巷道淺層形成錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+托盤+巷道圍巖為一體支護結(jié)構(gòu)，充分調(diào)動巷道淺部圍巖、中深部圍巖對巷道整體變形的限制作用。

第三，巷道底板注漿支護?？紤]到中央輔運大巷下步涌水嚴重的情況，本次設計在巷道底板打設注漿管道，實現(xiàn)對巷道底板及巷道兩幫下部裂隙的有效封堵，提升巷道底板的承載能力，限制巷道底板及兩幫圍巖變形。

3.2具體支護方案設計

本次設計的具體支護方案為：

（1）U型鋼閉合環(huán)支護設計。本次U型鋼閉合環(huán)設計采用U28型鋼，設計的有效壓縮量為400mm，4節(jié)U型鋼搭接而成，每節(jié)的長度為4400mm，具體見圖3所示。

圖3  U型鋼閉合環(huán)支護體支護示意圖

Fig. 3 U-shaped Steel closed ring support sketch

（2）錨網(wǎng)索支護設計。錨桿支護設計參數(shù)為：φ22mm×2400mm，間排距為800mm×800mm。幫錨索支護參數(shù)為：φ17.8mm×4200mm，位置在距離底板1200mm處，對稱布置兩根。頂板錨索使用φ17.8mm×8000mm，對稱布置三根，間排距為1600mm×1600mm。其中設計錨桿的預緊力均為65kN，錨索的預緊力均為75kN。

（3）底板注漿參數(shù)設計。為了擴大底板注漿支護效果，本次注漿對稱布置三根注漿孔，注漿壓力控制在5MPa左右，注漿角度設計外擺15°，間排距設計為1800mm×1800mm。

巷道錨網(wǎng)索支護和底板注漿支護設計見圖4所示。

圖4 巷道錨網(wǎng)索+注漿支護示意圖

Fig. 4 Diagram of bolt-mesh-cable+grouting support in Roadway

3.3返修后支護效果分析

為了驗證本次返修后支護效果，選擇使用十字布點法對巷道圍巖變形情況進行了監(jiān)測分析，通過觀測，得到了巷道圍巖變形曲線，見圖5所示。

圖5 返修后巷道圍巖變形曲線

Fig. 5 Deformation curve of surrounding rock of Roadway after repairing

從圖5可看出，巷道在選擇使用新支護方案后，整體的巷道圍巖穩(wěn)定性得到了較好的控制，頂?shù)装遄畲蟮囊平拷咏?50mm，兩幫的相對移近量接近200mm。這說明新支護方案在控制巷道圍巖穩(wěn)定方面取得了較好的效果。

4、結(jié)語

（1）本次通過設計采用“錨網(wǎng)索+U型鋼閉合環(huán)+底板注漿”實現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制，對類似深部巷道圍巖穩(wěn)定控制有著較強的借鑒意義。

（2）深部巷道圍巖變形破壞特點及圍巖穩(wěn)定性控制相對于傳統(tǒng)圍巖控制出現(xiàn)了較大的變化，設計人員在進行設計時，需充分考慮深部圍巖特點，設計出符合深部圍巖特征的支護方案。

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作者簡介：1987年6月、男、漢、籍貫：山西.沁水、本科、 畢業(yè)于中國礦業(yè)大學（北京）、研究方向：采礦工程、工程師